Un nuovo modo di esaltare le interazioni tra luce e materia, sviluppato da ricercatori del MIT e del Technion israeliano, potrebbe un giorno portare a celle solari più efficienti che raccolgono una gamma più ampia di lunghezze d'onda della luce, e nuovi tipi di laser e diodi a emissione di luce (LED) che potrebbero avere emissioni di colore completamente regolabili.

Il principio fondamentale alla base del nuovo approccio è un modo per ottenere lo slancio delle particelle di luce, chiamati fotoni, per corrispondere più da vicino a quello degli elettroni, che normalmente è di molti ordini di grandezza maggiore. A causa dell'enorme disparità di slancio, queste particelle di solito interagiscono molto debolmente; avvicinare i loro momenti consente un controllo molto maggiore sulle loro interazioni, che potrebbe consentire nuovi tipi di ricerca di base su questi processi, nonché una serie di nuove applicazioni, dicono i ricercatori.

Le nuove scoperte, sulla base di uno studio teorico, vengono pubblicati oggi sulla rivista Fotonica della natura in un articolo di Yaniv Kurman del Technion (l'Israel Institute of Technology, ad Haifa); lo studente laureato del MIT Nicholas Rivera; postdoc del MIT Thomas Christensen; John Joannopoulos, il Professore di Fisica Francis Wright Davis al MIT; Marin Soljacic, professore di fisica al MIT; Ido Kaminer, un professore di fisica al Technion ed ex postdoc del MIT; e Shai Tsesses e Meir Orenstein al Technion.

Mentre il silicio è una sostanza estremamente importante come base per la maggior parte dell'elettronica attuale, non è adatto per applicazioni che richiedono luce, come LED e celle solari, anche se attualmente è il materiale principale utilizzato per le celle solari nonostante la sua bassa efficienza, dice Kaminer. Migliorare le interazioni della luce con un importante materiale elettronico come il silicio potrebbe essere un'importante pietra miliare verso l'integrazione della fotonica, dispositivi basati sulla manipolazione delle onde luminose, con chip semiconduttori elettronici.

La maggior parte delle persone che hanno esaminato questo problema si è concentrata sul silicio stesso, Kaminer dice, ma "questo approccio è molto diverso:stiamo cercando di cambiare la luce invece di cambiare il silicio". Kurman aggiunge che "le persone progettano la materia nelle interazioni luce-materia, ma non pensano a progettare il lato chiaro."

Un modo per farlo è rallentare, o restringendosi, la luce abbastanza da abbassare drasticamente la quantità di moto dei suoi singoli fotoni, per avvicinarli a quello degli elettroni. Nel loro studio teorico, i ricercatori hanno dimostrato che la luce potrebbe essere rallentata di un fattore mille facendola passare attraverso una sorta di materiale a film sottile multistrato ricoperto da uno strato di grafene. Il materiale stratificato, costituito da strati di arseniuro di gallio e arseniuro di indio gallio, altera il comportamento dei fotoni che lo attraversano in modo altamente controllabile. Ciò consente ai ricercatori di controllare la frequenza delle emissioni dal materiale fino al 20-30%, dice Kurman, chi è l'autore principale del giornale.

L'interazione di un fotone con una coppia di particelle di carica opposta, come un elettrone e il suo "buco" corrispondente, produce una quasiparticella chiamata plasmone, o un polaritone plasmonico, che è una sorta di oscillazione che avviene in un materiale esotico come i dispositivi a strati bidimensionali utilizzati in questa ricerca. Tali materiali "supportano oscillazioni elastiche sulla sua superficie, molto strettamente confinato" all'interno del materiale, dice Rivera. Questo processo riduce efficacemente le lunghezze d'onda della luce di ordini di grandezza, lui dice, portandolo "quasi alla scala atomica".

A causa di quel restringimento, la luce può quindi essere assorbita dal semiconduttore, o emesso da esso, lui dice. Nel materiale a base di grafene, queste proprietà possono effettivamente essere controllate direttamente semplicemente variando una tensione applicata allo strato di grafene. In quel modo, "possiamo controllare totalmente le proprietà della luce, non solo misurarlo, "dice Kurman.

Sebbene il lavoro sia ancora in una fase iniziale e teorica, i ricercatori affermano che in linea di principio questo approccio potrebbe portare a nuovi tipi di celle solari in grado di assorbire una gamma più ampia di lunghezze d'onda della luce, che renderebbe i dispositivi più efficienti nel convertire la luce solare in elettricità. Potrebbe anche portare a dispositivi che producono luce, come laser e LED, che potrebbe essere sintonizzato elettronicamente per produrre una vasta gamma di colori. "Questo ha una misura di sintonizzabilità che va oltre ciò che è attualmente disponibile, " dice Kaminer.

"Il lavoro è molto generale, " Kurman dice, quindi i risultati dovrebbero applicarsi a molti più casi rispetto a quelli specifici utilizzati in questo studio. "Potremmo usare molti altri materiali semiconduttori, e alcuni altri polaritoni di materia luminosa." Anche se questo lavoro non è stato fatto con il silicio, dovrebbe essere possibile applicare gli stessi principi ai dispositivi a base di silicio, dice la squadra. "Chiudendo il divario di slancio, potremmo introdurre il silicio in questo mondo" di dispositivi basati su plasmoni, dice Kurman.

Poiché i risultati sono così nuovi, Rivera dice, "dovrebbe abilitare molte funzionalità che ancora non conosciamo".